并发多线程

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阅读提示

建议按“线程基础 -> 并发三特性 -> 锁与 AQS -> 线程池 -> 线上排障”顺序复习。
面试回答时尽量带一个真实场景（如高并发下延迟抖动、线程池打满、锁竞争）。

本文以 Java SE 21 的规范和 API 为基准；基础 JMM、监视器和并发工具的语义也适用于 JDK 8/17。虚拟线程仅讨论 JDK 21，HotSpot 锁优化属于实现细节，需区分版本。

1、什么是进程、线程、协程？

回答提示：

进程提供资源与地址空间隔离；平台线程由操作系统调度，Java 虚拟线程由 JVM 调度到承载它的平台线程上。
协程通常是用户态轻量执行单元；具体调度和切换成本取决于实现，不能直接等同于 Java 线程。

参考回答：

一个进程可包含多个线程，线程共享进程资源但执行路径独立。
协程常用于高并发 IO 场景，通过用户态调度减少线程切换开销。

2、线程状态有哪些？

回答提示：

Java 线程状态：NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED。

参考回答：

BLOCKED 专指等待进入或重新进入对象监视器（synchronized），不是所有等锁场景；ReentrantLock 竞争时通常通过 park 进入 WAITING 或 TIMED_WAITING。
RUNNABLE 包含正在执行和等待处理器等操作系统资源的情形，不能仅凭它判断 CPU 正忙。状态定义见 Thread.State（Java 21）。

3、创建线程有哪些方式？

继承 Thread。
实现 Runnable。
实现 Callable，交给执行器提交并通过 Future 取结果；Callable / Future 本身不会创建或启动线程。
通过 ExecutorService 提交任务，由具体执行器决定线程管理方式。

JDK 21 可使用 Thread.ofVirtual().start(task) 或 Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()。虚拟线程适合大量等待 IO 的任务，不会让 CPU 计算本身变快，也不应池化；下游并发限制可用 Semaphore。见 Oracle 虚拟线程指南。

4、并发三大特性是什么？

回答提示：

原子性：操作不可分割。
可见性：通过 happens-before 等同步关系，保证一个线程的写入对另一个线程的相应读取可见，不是任意共享变量都能“立即看到更新”。
有序性：程序执行顺序受约束。

参考回答：

synchronized 可保证原子性和可见性；volatile 保证可见性并约束重排序。

机制上，同一监视器的解锁 happens-before 后续加锁；对同一 volatile 变量的写 happens-before 后续读，并通过传递性发布此前写入的普通字段。这不意味着所有指令都禁止重排，而是重排不能破坏规范保证的可观察行为。count++ 包含读、加一、写回，即使 count 为 volatile，多个线程仍可能覆盖结果；计数可用 AtomicInteger.incrementAndGet()。见 JLS 21 §17.4.5。

5、什么是 CAS？优缺点是什么？

回答提示：

CAS：比较并交换，原子指令，常用于无锁并发。
优点：可用于实现无锁更新，避免为单次更新挂起线程；吞吐优势取决于竞争程度。
缺点：可能遇到 ABA，重试循环会消耗 CPU；单次 CAS 更新一个位置，多字段不变量需锁或将不可变状态封装后用 AtomicReference 整体替换。

参考回答：

compareAndSet 失败返回 false，不会自行无限重试；调用方或上层原子更新方法决定是否循环。竞争激烈时应评估重试成本。见 atomic 包说明。

6、什么是 ABA 问题？如何解决？

回答提示：

值从 A -> B -> A，CAS 看起来没变但过程已变。
可用版本号机制解决，如 AtomicStampedReference。

7、`synchronized` 的底层和使用范围

回答提示：

修饰实例方法：锁对象实例。
修饰静态方法：锁 Class 对象。
修饰代码块：锁指定对象。

参考回答：

synchronized 是可重入、独占的监视器同步；正常返回或异常退出同步区域都会释放监视器。HotSpot 的锁表示与优化不是语言保证，不能把“偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁”当成所有 JDK 的固定流程。JDK 15 已默认禁用并弃用偏向锁，见 Oracle JDK 15 发布说明。

8、`volatile` 能保证什么？不能保证什么？

回答提示：

能保证可见性和一定有序性。
不能保证复合操作原子性（如 count++）。

9、`ReentrantLock` 和 `synchronized` 有什么区别？

ReentrantLock 支持可中断加锁、超时尝试、公平锁。
synchronized 语法简单，JVM 层优化充分。
复杂并发控制（多条件队列）更适合 ReentrantLock。

10、什么是 AQS？

回答提示：

AQS（AbstractQueuedSynchronizer）是并发同步框架核心。
通过原子更新的 int state 与 FIFO 等待队列组织竞争；子类定义获取/释放状态的规则，AQS 负责排队、阻塞与唤醒。常说的 CLH 队列是其队列设计来源，不能据此断言锁一定公平。

参考回答：

ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch 的内部同步器都基于 AQS。入队不等于严格按先后获得锁，是否允许新线程插队取决于获取逻辑。见 AQS API。

11、`wait` / `notify` / `notifyAll` 和 `sleep` 的区别

wait 必须在持有该对象监视器时调用（同步方法或同步块均可），只释放该对象的监视器，不释放持有的其他锁。
sleep 让当前线程暂停一段时间，不释放已持有的监视器，也不提供同步可见性保证。
notify 任意选择一个等待线程，不承诺随机或公平；notifyAll 通知全部等待线程。两者同样要求持有该对象监视器，且不会立刻释放它。被通知线程重新获得监视器后才能从 wait 返回。

等待必须放在条件循环中：虚假唤醒或其他线程抢先消耗条件，都要求重新判断。以下为机制片段，ready 的读写均须由同一个 monitor 保护，调用方法需声明或处理 InterruptedException：

// 等待方
synchronized (monitor) {
    while (!ready) {
        monitor.wait();
    }
    // 在锁内处理依赖 ready 的共享状态
}
// 通知方
synchronized (monitor) {
    ready = true;
    monitor.notifyAll();
}

见 Object.wait / notify（Java 21）。

12、`CountDownLatch`、`CyclicBarrier`、`Phaser` 的区别

CountDownLatch：一次性门闩，常用于主线程等待子任务结束。
CyclicBarrier：可复用屏障，常用于多线程分阶段对齐。
Phaser：更灵活，支持动态注册与多阶段同步。

13、`Semaphore` 适合什么场景？

回答提示：

控制同时访问资源的数量，典型场景是连接池资源保护。它限制的是并发数，不直接保证每秒请求数；成功获取许可后应在 finally 中释放。

14、`ThreadLocal` 的作用和风险

回答提示：

作用：线程隔离上下文（如用户信息、追踪ID）。
风险：在线程池中不清理会导致上下文串到后续任务，也可能长期保留对象。请求上下文宜在 try/finally 中 remove()；线程隔离只隔离变量绑定，若多个线程绑定同一个可变对象，对象本身仍需同步。

15、为什么要用线程池？

降低线程创建/销毁开销。
控制并发度，保护系统资源。
便于统一监控和治理。

16、线程池核心参数有哪些？

corePoolSize
maximumPoolSize
keepAliveTime 及其时间单位 unit
workQueue
threadFactory
RejectedExecutionHandler

在运行状态下，execute 的核心顺序是：

少于 corePoolSize → 尝试新建工作线程
否则 → 尝试入队
入队失败 → 尝试扩至 maximumPoolSize
仍无法接收（或池已关闭）→ 拒绝处理

入队后还需复查池状态，避免关闭竞态漏处理任务。无界队列通常让任务积压而非触发扩容，因此仅调大 maximumPoolSize 往往无效；有界队列才能同时约束积压量。默认仅超出核心数的空闲线程超时退出，开启 allowCoreThreadTimeOut(true) 且超时为正数后核心线程也可退出。详见 ThreadPoolExecutor 官方说明。